خصائص الماء الفيزيائية PDF

## للماء خصائص فيزيائية ### متفردة تميزه عن غيره من الموائع السائلة، منها: * تناقص كثافته عند خفض درجة حرارته من 4°C إلى 0°C * حرارته النوعية المرتفعة ### تؤثر تلك الخصائص الفيزيائية المتفردة للماء على: * توزيع الكائنات الحية في البيئات المائية * العديد من الظواهر الطبيعية #### "المائع": أي...

## للماء خصائص فيزيائية ### متفردة تميزه عن غيره من الموائع السائلة، منها: * تناقص كثافته عند خفض درجة حرارته من 4°C إلى 0°C * حرارته النوعية المرتفعة ### تؤثر تلك الخصائص الفيزيائية المتفردة للماء على: * توزيع الكائنات الحية في البيئات المائية * العديد من الظواهر الطبيعية #### "المائع": أي مادة قابلة للانسياب ولا تتخذ شكلا ثابتًا بل تتخذ شكل الإناء الحاوى لها، مثل السوائل والغازات ### الكثافة: #### التعريف: كتلة وحدة الحجوم من المادة. #### العلاقة الرياضية: $p = \frac{m}{V}$ حيث: * p: الكثافة * m: الكتلة * V: الحجم #### وحدة القياس: kg/m³، g/L، g/cm³ *وحدات أخرى:* 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ = 1000 g/L #### جهاز قياس كثافة السوائل: الهيدروميتر ### العوامل التي تتوقف عليها كثافة مادة : 1. كتلة الجزيئات 2. المسافات البينية بين الجزيئات 3. درجة نقاء المادة (نسبة الشوائب التي تحتويها المادة) 4. درجة الحرارة ## مما سبق يتضح أن : * كثافة المادة النقية لا تتغير بتغير كتلة أو حجم العينة المأخوذة منها، لأن كثافة المادة النقية خاصية فيزيائية مميزة لها، ولذلك قيمتها ثابتة عند ثبوت الضغط ودرجة الحرارة. ### العلاقة بين الكتلة (m) لمجموعة من الأجسام من نفس المادة والحجم (V) لكل من هذه الأجسام تمثل بيانيًا بخط مستقيم يبدأ من نقطة الأصل ويميل بِزاوية على المحور الأفقى كما بالشكل البيانى المقابل، ويمكن تعيين كثافة مادة هذه الأجسام من ميل الخط المستقيم. (الميل) slope = $\frac{\Delta m}{\Delta V} = p$ ### اختر الإجابة الصحيحة من بين الإجابات المعطاة: * قطع ربع الشريحة المعدنية المربعة كما هو موضح بالشكل، فإن كثافة مادة الجزء المتبقى من الشريحة ........... * تزداد * تقل * لا تتغير * لا يمكن تحديد الإجابة ## الكثافة النسبية ### يمكن تعريف الكثافة النسبية لمادة كالتالي: * **الكثافة النسبية لمادة:** نسبة كثافة المادة إلى كثافة الماء النقي عند نفس درجة الحرارة. ### وبالتالي يمكن تعيين الكثافة النسبية لأى مادة من العلاقات الآتية: * **كثافة المادة عند درجة حرارة معينة** / **كثافة الماء عند نفس درجة الحرارة** * **كتلة حجم معين من المادة عند درجة حرارة معينة** / **كتلة نفس الحجم من الماء عند نفس درجة الحرارة** #### $P = \frac{P (مادة)}{P (ماء)} × P (النسبية)$ * الكثافة النسبية ليس لها وحدة قياس لأنها نسبة بين كميتين لهما نفس وحدة القياس. * قيمة الكثافة النسبية لمادة تساوى قيمة كثافتها بوحدة g/cm³. * يمكن تعيين كثافة المادة بمعلومية كثافتها النسبية من العلاقة: \(P (مادة) = P (النسبية) × P (ماء)\) ## مثال 1 : ### اختر: حوض يحتوى على كمية من الجازولين كتلتها 3450kg وحجمها 5m³، فتكون كثافة الجازولين هي ........... * 17.25 kg/m³ * 3.455 kg/m³ * 720 kg/m³ * 690 kg/m³ ### الحل: m = 3450 kg, V = 5m³, p = ? $p = \frac{m}{V} = \frac{3450}{5} = 690 kg/m³$ #### الاختيار الصحيح هو ب ## مثال 2 : ### اختر: إذا كانت كثافة الألومنيوم وكثافة الماء تساوي 2700 kg/m³ و 10³ kg/m³ على الترتيب، فإن الكثافة النسبية للألومنيوم تساوي؟ * 0.27 * 0.54 * 2.7 * 5.4 ### الحل: $P_{AI}$ = 2700 kg/m³, $P_w$ = 10³ kg/m³ $\frac{P_{AI}}{P_w} = \frac{2700}{10^3} = 2.7$ #### الاختيار الصحيح هو ج ## جهاز الهيدروميتر ### الاستخدام: * قياس كثافة السوائل ### التركيب: 1. ساق زجاجية طويلة ذات قطر صغير ومدرجة بقيم الكثافة، أو الكثافة النسبية للسوائل. 2. مستودع أسطواني زجاجي مجوف يحتوي في أسفله على زئبق وكرات من الرصاص لمساعدة الجهاز على الاتزان رأسيًا فى السوائل. ### التدريج: * أقل قيمة على التدريج * أكبر قيمة على التدريج ## شرح العمل: * ضع كمية مناسبة من السائل المراد قياس كثافته في مخبار مناسب . * ضع الهيدروميتر بحرص داخل المخبار واتركه حتى يستقر مع مراعاة أن يطفو بحرية ولا يلامس جدران المخبار. * بعد الاستقرار، يقرأ التدريج على الساق عند مستوى سطح السائل، وتلك القراءة تمثل كثافة السائل أو الكثافة النسبية له. ## ملاحظات : * بعد وضع الهيدروميتر في السائل فإنه ينغمر جزئيًا تبعًا لكثافة السائل، * **في السوائل ذات الكثافة العالية:** يطفو جزء أكبر من الهيدروميتر. * **الكثافة المنخفضة:** ينغمر جزء أكبر من الهيدروميتر ## يستخدم الهيدروميتر في التنبؤ بوجود ملوثات ذائبة في الماء عن طريق قياس كثافة الماء، فإذا اختلفت الكثافة التي يتم قياسها بواسطة الهيدروميتر عن الكثافة المعروفة للماء، دل ذلك على وجود ملوثات ذائبة في الماء. ## كثافة الماء * تتغير كثافة السوائل بتغير درجة حرارتها حيث إنه عند رفع درجة حرارة السوائل تزداد المسافات البينية بين الجزيئات فيزداد حجم السائل مع ثبوت كتلته وبالتالي تقل كثافته. * عند دراسة أثر تغير درجة الحرارة على كثافة الماء النقى وُجد أن سلوكه بين 4°C ، 0°C يشذ عن سلوك باقي السوائل، كما يمثله الشكل البياني التالي: ### عند رفع درجة حرارة الماء النقي عن 4°C * تزداد المسافات البينية بين الجزيئات فيزداد الحجم وتقل كثافة الماء * نفس سلوك باقي الموائع السائلة ### عند درجة حرارة 4°C : * يصل الماء النقي إلى أعلى كثافة ممكنة له وتساوى 1000kg/m³ أو 1 g/cm³ ### عند خفض درجة حرارة الماء النقى من 4°C إلى 0°c: * يتمدد الماء بدلًا من أن ينكمش فتقل كثافته، وبذلك يختلف سلوك الماء عن باقي السوائل ### ما سبق يساعد على فهم سبب بدء تجمد المسطحات المائية في المناطق القطبية عند السطح بدلًا من القاع، حيث إنه عندما تنخفض درجة حرارة الماء من 4°C حتى 0°C تتعمد المياه السطحية وتصبح أقل كثافة وبالتالي تظل الماء البارد أقل من 4°C طافية فوق طبقات الماء الأكثر دفئًا . * باستمرار الانخفاض في درجة الحرارة تتجمد الطبقة السطحية ويظل الجليد طافيًا على السطح لأن كثافته أقل من كثافة طبقات الماء أسفله. * تعمل طبقة الجليد كعازل حرارى للمياه أسفلها، فتظل المياه بالقرب من القاع عند 4°C مما أدى إلى نجاة الأسماك وغيرها من الكائنات البحرية في بحيرات وأنهار المناطق القطبية. ## خلفية علمية الشكل البيانى المقابل يمثل العلاقة بين كثافة الجليد (P) ودرجة الحرارة (t) بمقارنة الشكل المقابل بالشكل البيانى الخاص بالماء، نلاحظ أن: * كثافة الجليد عند 0°C أقل من كثافة الماء النقي السائل عند C0°C. * بنقص درجة حرارة الجليد تزداد كثافته. ## تجربة عملية لبيان تأثير اختلاف الكثافة على حركة المياه ### الخطوات: 1. اصنع مكعبين متماثلين من الثلج باستخدام كمية من الماء النقى مضاف إليها ألوان طعام (حتى تسهل ملاحظة عملية انصهار مكعب الثلج واتجاه حركة الماء بعد انصهاره). 2. احضر كميتين متساويتين من الماء عند درجة حرارة الغرفة: * إحداهما من ماء عذب * الأخرى من ماء ملوحة قريبة من ملوحة ماء البحر 3. ضع في كل إناء مكعبا من الثلج. ### ملاحظة * ينصهر مكعب الثلج الموضوع في الماء العذب بمعدل أسرع من انصهار المكعب الموضوع في الماء المالح. * انصهار مكعب الثلج في: * **الماء العذب:** ينتشر اللون المضاف لمكعب الثلج في الماء بالكامل * **الماء المالح:** ينتشر اللون المضاف لمكعب الثلج على سطح الماء فقط ### التفسير: * عند بدء انصهار مكعب الثلج في الماء العذب ينتقل الماء البارد الناتج من انصهار مكعب الثلج إلى أعلى حيث إن كثافة الماء البارد أقل من كثافة الماء طافيًا فيبقى فوق سطح الماء العذب . * عند بدء انصهار مكعب الثلج في الماء المالح يبقى الماء البارد في الأعلى. * ويرجع ذلك إلى أن الماء البارد الناتج من انصهار مكعب الثلج يبقى فوق سطح الماء المالح. * مما يؤدى إلى تشكل طبقة من الماء البارد حول مكعب الثلج تبطئ من انصهاره. ### ملحوظة: * عند انصهار الجبال الجليدية ( مياه عذبة ) ودخولها إلى المحيط ( مياه مالحة ) فإن المياه العذبة تنتشر على سطح المحيط ولا تغوص، وإذا تجمدت تلك المياه العذبة فإنها تشكل عازلاً حراريا بين المناطق العميقة من المحيط والهواء الجوى البارد. ## التيارات المائية في المحيطات ### التيارات المائية في المحيطات: 1. حركة المياه من منطقة إلى أخرى وتنقل معها: * الحرارة والملح من المناطق الاستوائية إلى قطبى الكرة الأرضية * العناصر الغذائية مع تيارات الحمل من أعماق المحيط إلى السطح 2. الحمل من أعماق المحيط إلى السطح 3. المياه العذبة التي تصب من الأنهار أو الأنهار الجليدية المنصهرة إلى أماكن مختلفة خلال رحلتها حول العالم * يُعد اختلاف كثافة المياه في الأجزاء المختلفة من المحيطات أحد أسباب التيارات المائية بها، وتتأثر كثافة المياه في المحيطات من منطقة لأخرى بالعوامل الآتية: 1. **ضغط الماء:** * يزداد الضغط الذي يتعرض له الماء بزيادة العمق حيث : تِتّقَارَب جزيئات الماء ويقل حجم الماء وتزداد كثافته. 2. **درجة حرارة الماء:** * بانخفاض درجة حرارة الماء: * حتى تصل إلى 4°C تقل المسافات البينية بين الجزيئات فتقل الحجم مما يؤدى إلى زيادة كثافة الماء. * حتى 0°C تزداد المسافات البينية بين الجزيئات فتنقل كثافة الماء . 3. **ملوحة الماء:** * تعبر الملوحة عن كمية الملح المذاب في الماء. * يبلغ المعدل الطبيعى لملوحة مياه المحيط 35 g/L (أي ما يعادل ملعقتين صغيرتين من الملح لكل كوب من الماء). * بزيادة نسبة ملوحة الماء تزداد كثافته. ## اختر الإجابة الصحيحة من بين الإجابات المعطاة: ### الشكل المقابل يمثل إضافة مكعبات من الثلج إلى ماء نقى عند 4°C، ماذا يحدث لكثافة الماء أثناء انصهار الثلج ؟ * تتزايد * تتناقص * لا تتغير * لا يمكن تحديد الإجابة ## الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في البيئة المائية ### أولا : الأكسجين في البيئة المائية #### مصادر الأكسجين في الماء: * **المصدر الرئيسي**: الهواء الجوي * **المصدر الثانوي:** عملية البناء الضوئي التي تقوم بها العوالق النباتية، والطحالب، والنباتات المائية فتساهم في إنتاج الأكسجين في الماء #### ذوبانه في الماء * يذوب الأكسجين بنسبة ضئيلة في الماء. #### العوامل المؤثرة في ذوبانه * **الأمواج والاضطراب داخل المحيط**: حيث تساهم في زيادة ذوبان الأكسجين في مياه البحار والمحيطات. * **تبادل الغازات بين الغلاف الجوي، والماء**: وبشكل عام توفر هذه العمليات الطبيعية للمخلوقات البحرية الأكسجين المذاب الضروري لبقائها على قيد الحياة. #### تأثير زيادة نسبة غاز الأكسجين المذاب في الماء: 1. **تعزيز التنفس**: حيث تعتمد الكائنات المائية على الأكسجين المذاب في الماء للتنفس، وزيادة كميته تُحسّن قدرتها على التنفس. 2. **تحسين التمثيل الغذائي**: حيث تدعم مستويات الأكسجين العالية عمليات التمثيل الغذائي وتعزيز النمو. 3. **زيادة النشاط**: حيث يحفز الأكسجين الكافي الكائنات المائية على المزيد من النشاط في السباحة والصيد، والتكاثر . 4. **الحفاظ على توازن النظام البيئي**: حيث أن التوازن الصحي للأكسجين المذاب في الماء ضروري لاستقرار النظام البيئي من خلال دعم مجموعات متنوعة من الأسماك، واللافقاريات، والنباتات. ### ثانيا: ثاني أكسيد الكربون في البيئة المائية #### مصادر ثاني أكسيد الكربون في الماء * **المصدر الرئيسي**: الغلاف الجوي .. **علل؟** حيث يتم تبادل ثاني أكسيد الكربون بين الغلاف الجوي والماء. * **الصادر الثانوية** * **الكائنات البحرية**: حيث تنتج غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يذوب في المياه المحيطة بها كأحد الفضلات الناتجة من عمليتي الأيض. * **الأنشطة البشرية**: مثل التلوث الصناعي، وتحلل المواد العضوية التي تحملها مياه الصرف الزراعي #### تأثير زيادة نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون في الماء على الكائنات المائية * **لزيادة نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الماء عدة آثار سلبية على الكائنات المائية منها:** 1. **التحمض**: حيث أن زيادة ثاني أكسيد الكربون في الماء تؤدي إلى تكون حمض الكربونيك، مما يخفض الرقم الهيدروجينى (pH) ويجعل الماء أكثر حمضية. وهذا يؤثر سلباً على الكائنات المائية خاصة تلك التي تمر بمراحل حياة حساسة مثل مرحلتي البيض واليرقات. 2. **ضعف التنفس**: حيث أن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يقلل من كمية الأكسجين المذاب في الماء مما يجعل تنفس الكائنات المائية أكثر صعوبة. 3. ** تقليل التكلس**: تعتمد العديد من الكائنات البحرية مثل المرجان و الرخويات، و بعض أنواع العوالق على كربونات الكالسيوم لتكوين أصدافها أو هياكلها العظمية (وهي مادة صلبة شحيحة الذوبان في الماء) وتؤدي زيادة نسبة ثاني أكسيد الكربون إلى تحويلها إلى بيكربونات الكالسيوم تذوب في الماء مما يعيق قدرة هذه الكائنات على بناء هياكلها أو الحفاظ عليها. #### تأثير نقص نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون في الماء على الكائنات المائية * **لنقص نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2)** في الماء عدة آثار سلبية على الكائنات المائية منها : 1. ***انخفاض عملية التمثيل (البناء) الضوئي**: حيث تحتاج النباتات والطحالب المائية إلى ثاني أكسيد الكربون للقيام بعملية التمثيل الضوئي وإنتاج الطاقة. ويؤدي انخفاضه إلى الحد من قدرتها على إنتاج الطاقة مما يؤثر على الانتاجية الإجمالية للنظام البيئي. 2. ***التأثير على سلاسل الغذاء**: حيث يؤثر التغير في مستوى ثاني أكسيد الكربون على الكائنات المنتجة مثل العوالق النباتية والطحالب مما يؤثر على الكائنات الأعلى في السلسلة الغذائية . 3. ***خلل في توازن الرقم الهيدروجيني**: حيث أن انخفاض تركيز ثاني أكسيد الكربون قد يزيد من الرقم الهيدروجيني مما يؤثر سلبًا على الأنواع الحساسة المتكيفة مع مستوى معين من الحموضة (مدى معين من الرقم الهيدروجيني).